Aula-5-Separações-parte-1-2o-Sem-2017 (1)

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Aula 5 – Métodos de Separação 
Parte 1 
Julio C. J. Silva 
Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) 
Instituto de Ciências Exatas 
Depto. de Química 
Juiz de Fora, 2017 
QUI 154 – Química Analítica V 
Análise Instrumental 
Introdução 
 
• Técnicas analíticas  um número pequeno apresenta 
seletividade para uma única espécie química 
 
• Concomitantes  espécies diversas presentes na 
matriz 
 
• Interferentes  espécies que afetam o sinal analítico 
 
• Separações  estratégia empregada para isolar a 
espécie de interesse 
 
• Estratégias usadas para reduzir interferências 
(efeitos de matriz)  modificação de matriz, o 
mascaramento e a diluição 
 
 
Métodos de Separação 
 
 
Métodos de Separação 
O processo de Separação 
 
 
Métodos de Separação 
Separação por Precipitação 
 
• Requer alta diferença de solubilidade entre o analito e 
os potenciais interferentes 
 
• Produto de solubilidade (Kps)  hidróxidos e sulfetos 
 
• Limitações : 
 
1) Coprecipitação 
 
2) Velocidade de precipitação 
 
3) Formação de precipitados coloidais 
 
Separação por Precipitação 
 
• Separações baseadas na acidez 
Separação por Precipitação 
 
• Separações baseadas na formação de sulfetos 
 
 
Separação por Extração com Solvente 
 
• A extração é a transferência de uma substância dissolvida de 
uma fase para outra 
 
• Quando a extensão segundo a qual os solutos distribuem entre 
duas fases liquidas imiscíveis difere significativamente 
 
• Essa característica pode ser usada para separações de espécies 
químicas (concentrar ou isolar) 
 
• Lei de distribuição  fenômeno de equilíbrio que explica a 
partição de um soluto entre duas fases líquidas imiscíveis 
 
A(aq)  A(org) 
 
K (constante de distribuição) = [A]org/[A]aq 
 
• Constantes de distribuição  úteis para calcular a concentração 
do analito que permanece e m solução após “i” extrações 
 
• K  coeficiente de partição 
 
 
 
 
 
Separação por Extração com Solvente 
 
 
 
 
 
Partição de um soluto entre duas fases imiscíveis 
Separação por Extração 
 
• Exemplo: Extração líquido-líquido 
 
Separação por Extração 
 
 
• Constantes de distribuição (K): 
 
• K = [S]2/[S]1 
 
• K = ((1 – q) x n/V)/(q x n/V) 
 
 
• q  fração do solução que permanece na fase 1 (solução aquosa) 
 
• (1 – q)  fração do solução transferida para a fase 1 (solução orgânica) 
 
 
• Resolvendo para “q”, temos... 
 
• Exemplo: 
Um soluto A tem um coeficiente de partição (K) igual a 3 entre o tolueno e 
água. Suponho que 100 mL de uma solução aquosa de A 0,010 mol/L sejam 
extraídas com tolueno. Qual a quantidade de A que permanece a fase 
aquosa (a) se for feita uma extração de 500 mL e (b) se forem feitas 5 
extrações com 100 mL de solvente. 
a)  6% 
b)  0,1% 
 
 
 
 
 
 
 
 
Separação por Extração 
 
 
• Constantes de distribuição (K): 
 
 
 
 
 
 
• [A]i  concentração de A que permanece em solução aquosa 
 
• [A]o  concentração original 
 
• Vaq  Volume da fase aquosa 
 
• Vorg  Volume da fase orgânica 
 
• K  constante de distribuição 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Métodos de Separação 
Separação por Extração 
 
• Exemplo: 
 
A constante de distribuição do iodo entre um solvente orgânico e a água é 
85. Encontre a concentração de I2 que permanece na fase aquosa após a 
extração de 50 mL de 1,0 x 10-3 mol L-1 de iodo com as seguintes 
quantidades de solvente orgânico: 
a) 50 mL 
 
b) Duas porções de 25 mL 
 
c) Cinco porções de 10 mL 
 
d) Qual a estratégia mais eficiente ? 
 
 
Métodos de Separação 
Separação por Extração 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Efeito do pH 
 
• Se um soluto é um ácido ou uma base sua carga muda com o pH 
 
• A espécie neutra é tem maior afinidade pela fase orgânica (apolar) 
 
• A espécie carregada é tem maior afinidade pela fase aquosa (polar) 
 
• Coeficiente de partição (DM): 
 
 
 
 
 
• [CM]s = concentração total do soluto na fase 2 
 
• [CM]1 = concentração total do soluto na fase 1 
 
• Exemplo: considere um ácido cuja forma neutra (HA) possui um K entre 
a fase 1 e a fase 2. Considere que a base conjugada seja (A-). Demonstre 
como o pH influencia a extração da espécie neutra HÁ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Exemplo: 
Suponha que o coeficiente de partição de uma amina (B) seja K = 3 e a 
constante de dissociação ácida de BH+ seja Ka = 1,0 x 10-9. Se 50 mL de 
amina aquosa 0,010 mol/L forem extraídas com 100 mL de solvente, qual 
será a concentração formal restante na fase aquosa: 
a) Em pH 10 ? (R = 1,5 x 10-3 mol/L) 
b) Em pH 8 ? (R = 6,5 x 10-3 mol/L) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Separação por Extração – Extração com um quelato 
metálico 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2HQ(org) + M2+(aq)  MQ2(org) + 2H+(aq) 
K´= [MQ2]org . [H+]2aq/[M+2]aq . [HQ]2org 
 
K = ? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Separação em Fase Sólida 
 
• Limitações da extração líquido-líquido: 
 
 1 – Solventes devem ser imiscíveis com a água e não 
formar emulsões 
 
 2 – Grandes volumes de solventes 
 
 3 – Procedimento moroso 
 
• Extração em fase sólida (extração liquido sólido)  
boa alternativa 
 
• Membranas, pequenas colunas descartáveis (seringas 
ou cartuchos) 
 
 
 
 
 
 
 
• Funcionamento: 
Separação em Fase Sólida 
 
• Separação de íons por troca iônica  processo no qual íons presos 
num sólido poroso são trocados por íons presentes em uma solução 
levada ao contato com o sólido 
 
• Resinas trocadoras de Íons 
 
• Resinas trocadoras de cátions  contém grupos ácidos (-SO3-H+) 
 
 
xR-SO3
-H+ (sólido) + Mx+ (solução)  (-SO3
-H+)xMx+ (sólido) + xH+ (solução) 
 
 
• Resinas trocadoras de ânionscontém grupos básicos (-N(CH3)3+OH-) 
 
 
xR-N(CH3)3
+OH- + Ax-  [R-N(CH3)3
+]xAx- + xOH- 
 
 
Separação em Fase Sólida 
 
• Equilíbrio de troca iônica  lei da ação das massas 
 
 
Ca2+(solução) + 2H
+
(resina)  Ca
2+
(resina) + 2H
+
(solução) 
 
 
K´= ([H+]2aq . [Ca2+]res)/([H+]2res . [Ca2+]aq) 
 
 
• Separação de troca iônica  um dos íons deve prevalecer em ambas as 
fases. Por exemplo H+ 
 
 
[Ca2+]aq << [H
+]aq 
 
 
[Ca2+]res << [H
+]res 
 
• Assim: 
 
(K´. [H+]2res)/[H+]2aq= [Ca2+]res/[Ca2+]aq  K = [Ca2+]res/[Ca2+]aq 
 
 
 
 
Métodos de Separação 
Separações Cromatográficas 
 
• Método amplo  permite a separação, a identificação e a 
determinação de componentes químicos em amostras complexas 
 
• Cromatografia  técnica na qual os componentes de uma mistura 
são separados com base nas diferenças de velocidade nas quais 
são transportados através de uma fase estacionária fixo por uma 
fase estacionária móvel (liquido ou gás) 
 
• Soluto (amostra/mistura de componentes) 
 
• Fase estacionária (FE)  fase retida em uma coluna ou 
superfície plana 
 
• Fase móvel (FM)  fase que se movimento através da FE 
transportando o soluto. 
 
• FM  gás, líquido, etc. 
Introdução 
éter de 
petróleo 
CaCO3 
mistura de 
pigmentos 
pigmentos 
separados 
Cromatografia = 
kroma [cor] + graph [escrever] 
(grego) 
M. TSWEET (1903): Separação de misturas de pigmentos 
vegetais em colunas recheadas com adsorventes sólidos e 
solventes variados. 
Introdução 
 Separação de misturas por interação diferencial dos seus componentes entre uma FASE ESTACIONÁRIA (líquido ou sólido) e 
uma FASE MÓVEL (líquido ou gás) 
 
Métodos de Separação 
Eluição em Cromatografia 
• Eluição  processo de lavagem dos 
solutos pela FM 
 
• Eluente  FM 
 
• Eluato  FM que deixa a coluna 
CROMATOGRAFIA 
 CLASSIFICAÇÃO DAS TÉCNICAS CROMATOGRÁFICAS PELAS FORMAS FÍSICAS
Critério de CROMATOGRAFIA
Classificação
Técnica Planar Coluna
Fase Móvel Líquido Gás Fluido LíquidoSupercrítico
 Fase
Estacionária Líquido Sólido Fase Líquido Sólido Fase Sólido Fase Líquido Sólido Fase
 Ligada Ligada Ligada Ligada
Tipo de
Cromatografia CP CCD CCD CGL CGS CGFL CCS CSFL CLL CLS CE CLFL CTI CB
Cromatografia por adsorção 
Cromatografia de troca iônica 
Cromatografia por afinidade 
Cromatografia de partição 
Cromatografia de exclusão molecular 
Cromatograma ideal 
Picos separados 
Picos simétricos 
Cromatograma: gráfico de resposta do detector em função do tempo de eluição 
 
 
 
 
 
O parâmetro diretamente mensurável de retenção de um analito é o 
TEMPO DE RETENÇÃO AJUSTADO, tR’: 
 
tR 
tM 
tR’ = tR - tM 
TEMPO 
S
I
N
A
L
 
tR = Tempo de Retenção (tempo 
decorrido entre a injeção e o 
ápice do pico cromatográfico); 
 
tM = Tempo de Retenção do 
Composto Não-Retido (tempo 
mínimo para um composto que 
não interaja com a FE atravesse 
a coluna); 
 
tR’ = Tempo de Retenção 
Ajustado (tempo médio que as 
moléculas do analito passam 
sorvidas na FE) 
 
 
 
Cromatograma: 
• Tempo de retenção ajustada (t´r ) = tr – tm 
 
• Retenção relativa () = (t´r(2))/(t´r(1))  
 
• t´r2  t´r2    1 
 
• Fator de capacidade (K´) = (tr – tm)/tm (fator de retenção) 
 
• K´ = (t do soluto na FE)/(t do soluto na FM) 
 
• K´ = (n na FE)/(n do soluto na FM) 
 
• K´ = (Ce.Ve)/(Cm.Vm) 
 
• K = Ce/Cm (coeficiente de partição) 
 
• K´ = K(Ve/Vm) = (tr – tm)/tm 
 
• Retenção relativa () = (t´r(2))/(t´r(1)) = (K´2)/(K´1) = (K2)/K1) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Eficiência de separação 
– Fatores que afetam a separação 
1) Diferença entre os tempos de eluição entre picos 
2) Alargamento dos picos 
 
– Resolução (Rs)  
 
 
 
 
Eficiência 
Cromatogramas ilustrando a relação entre resolução, seletividade e eficiência 
a) má resolução b) boa resolução c) boa resolução 
 má seletividade boa seletividade boa seletividade 
 má eficiência má eficiência boa eficiência 
 
 
 
• Exemplo: Um pico com tempo de 407s tem uma 
largura de base de 13s. Um pico vizinho é eluído a 
424s com uma largura de 16s. Qual a resolução 
desse cromatograma ? 
• Rs = 1,17 
 
 
 
Eficiência de separação 
– Fatores que afetam a separação 
 
2) Alargamento dos picos 
 
– Difusão (D): O coeficiente de difusão mede a velocidade na qual 
uma substancia se move aleatoriamente de uma região mais 
concentrada para uma menos concentrada 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
– Uma das principais causas de alargamento dos picos cromatográficos 
 
 
 
 
Eficiência de separação 
– Fatores que afetam a separação 
 
2) Alargamento dos picos 
 
Alargamento de uma banda de um soluto, inicialmente estreita, à medida que 
ele se move através de uma coluna cromatográfica 
 
 
 
Eficiência de separação 
 
– Dados para o calculo de número de pratos (N) e altura de prato (H) 
 
 
 
Eficiência: 
• Número de pratos teóricos (N) 
– Cada “N”  uma etapa de equilíbrio entre FE e FM 
– Quanto  N   Eficiência = maior separação (picos mais estreitos) 
– Quanto  N   Eficiência = menor separação (picos mais largos) 
 
• Equação de “N”: 
 
• N = 16 (dr/Wb)2 
 
• N = 5,54 (dr/Wh)2 
 
– N = numero de pratos teóricos 
– dr=distancia de retenção (tempo de retenção) 
– Wb = largura do pico na linha de base 
– Wh = Largura a meia altura 
 
• Altura equivalente a um prato teórico (H) 
– Comparação entre colunas de comprimentos diferentes 
 
• Equação de “H”: 
 
• H = L/N 
• L = comprimento da coluna 
 
 
 
 
 
Eficiência: 
– Fatores que afetam a resolução (N x Rs): 
 
– Quanto maior for a resolução maior será a separação entre 
dois picos 
 
 
 
 
 
 
 
– Rs = Resolução 
 
–  = retenção relativa 
 
– N = número de pratos 
 
– KB = K´= fator de capacidade ou fator de retenção 
 
Equação da altura de prato (H) 
 
Análise Qualitativa 
 
a) Comparação do tR com o do composto padrão 
 * Identifica de forma aproximada, pois 2 componentes 
 podem apresentar mesmo tR 
 * Confirmar o resultado: outra técnica ou testar colunas diferentes 
 
 
b) Adição de padrão 
 Adicionar o composto que se imagina presente 
 - aumenta na altura do pico  confirma 
 - aumento na largura do pico  não é o composto 
 
c) Índice de Kovats (comparar c/ literatura) 
 
 
 
Integração dos picos 
 
a) Altura do pico b) Área do pico c) Área na meia altura 
 A = a x wb / 2 A = a x wh 
 
Outros tipos: peso do pico ; integradores eletrônicos 
Análise Quantitativa 
Avaliar: análise qualitativa, exatidão e precisão 
Causas de erro: perdas mecânicas, amostra volátil, contaminação 
Cálculo da concentração 
 
a) Normalização: compara a área com a % da composição da mistura 
 
%A = (área A / área total) x 100 
 
b) Calibração externa: curva de calibração: 
A x C 
 
c) Padronização interna: 
adição de quantidade conhecida de um padrão na amostra 
Ax /API x C 
 
d) Adição de padrão 
 
 
Aplicação Analítica 
Áreas: ambiental; farmacêutica; alimentícia; petroquímica, 
 medicina, pesquisa, ... 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
- Silva, L.L.R. Notas de Aula. FACET, UFVJM, 2008. 
- Juliano, V. F. Notas de Aula. Depto de Química. UFMG. 2010 
- Faria, L.C. Notas de Aula. Instituto de Química. UFG. 1995 
-D. A. SKOOG, F. J. HOLLER e T. A. NIEMAN – Princípios de Análise 
Instrumental, 5a ed., Saunders, 2002. 
- A. I. VOGEL - Análise Analítica Quantitativa, LTC, 6ª ed., Rio de Janeiro. 
 
- Galen W. Ewing. Métodos Instrumentais de Análise Química (Volume 1). 
Editora Edgard Blücher/Ed. da Universida 
- Cadore, S. Notas de Aula. IQ, UNICAMP, 2004. 
- SKOOG, D. A; HOLLER, F. J.; NIEMAN, T. A., Princípios de Análise 
Instrumental, 5ª edição, Editora Bookman, 2006. 
- COLLINS, H. C.; BRAGA, G. L.; BONATO, P. S., Fundamentos de Cromatografia, 
Editora Unicamp, 2006.